快速液压夯实机在地基处理中的应用分析

司癸卯，张燕飞，张 成

(长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安 710064)

现今路基工程施工中，对于一些特殊地基(比如桥台背、涵侧回填、半填半挖、局部高填方及狭小面积的回填)处理，往往会出现一些难以解决的问题，特别是桥台背处的地基压实［1－2］，“桥头跳车”就是路桥过渡段压实度不够的直接表现.

目前，由于此类地基压实区域狭窄且填土形状不规则，大吨位的振动压路机和冲击夯无法进入该区域，传统强夯对要压实区域周边地基影响太大，使得此类地基的整体压实度难以得到保证［3］.基于此，本文提出了一种类似强夯工作原理的快速液压夯实机，首次尝试用现有强夯理论建立快速液压夯实机的夯实效果评析标准，并通过现场地基压实检测，初步总结该设备在特殊地形路基工程中的压实特点及技术效果.

1 夯实机工作原理

快速液压夯实机的工作原理是:在电控系统控制下用液压缸将夯锤体提升至一定高度(可根据所需夯实量选择合适的挡位)，通过电磁换向阀使液压系统换向，夯锤体在重力作用下(必要时也可以添加一液压蓄能器共同作用使夯锤体加速)自由下落，夯击在带有缓冲垫的接地底座上，再通过接地底座间接夯击地面，通过装载机(5～9 t夯锤可用于履带式挖掘机)工作装置的牵引，可以做到机动、灵活、快速地对不同作业位置进行准确、有效的夯实.如图1所示.

图1 快速液压夯实机工作原理Fig.1 Cworking for HHC

2 深度影响分析

式中:Z为地基土加固有效深度，m;Q为夯锤重力，kN;H为落距，m.

由式(1)可以得出快速液压夯实机(夯锤重3～9 t，行程范围 0.6 ～1.5 m)的有效夯实深度为1.0～3.7 m.根据英国一家建筑研究所(BRE)的研究证明，快速液压夯实机所采用的动态夯实技术填补了传统表层夯实，如碾压、振动压实和传统强夯技术之间的空白.REB的测定数据表明:快速液压夯实机的正常夯实深度可达4 m，可能影响深度达10 m.夯实深度是传统碾压技术的十几倍，为冲击式碾压技术的三四倍，特别适合快速处理深度为快速液压夯实机(High-speed Hydraulic Compactor)类似于传统强夯机械，近似于小能量强夯法，也是一项动力固结加固技术［4］，所以现有的一些强夯理论也可以应用在液压夯实机上［5］.使用强夯的目的，在于改良地基，对于不同的土质，又有不同的改良目的.譬如对湿陷性黄土地基，主要是用强夯破坏黄土的大孔结构，将土压密，消除土体的湿陷性;对饱和砂土地基，主要是改善土体的相对密度，提高土体的抗液化能力;对于一般的软弱的黏土地基，则主要是提高土的强度，减少变形.强夯效果，主要是垂直方向为主，而人们最关心的也是夯后的有效影响深度和在此厚度内土性的改善程度.强夯后对土体的影响深度，可参照路易梅纳(Menard)公式［6］:1～10 m的地基［7］.具体各种夯实方式的影响深度［5］如图2所示，此结论进一步验证梅纳影响深度公式的理论的可行性.

图2 各种夯实机械作业深度影响范围Fig.2 Depth of compaction of different dynam ic com paction m ethods

3 环境影响分析

传统强夯是一种冲击型能源，当重锤夯击地基时，产生强大的冲击波(包括体波和面波)，从夯击点沿着地表向四周传播开来.由于阻尼作用，一般在很短时间(约0.4～1.0 s)内即消失，其主频约为10～23 Hz，比一般的建(构)筑物的固有频率高，但是由于是连续夯击，相邻两击时间间隔2～3 min，一次造成的地面振动比较强大，对附近建(构)筑物和工作、生产、生活都会带来有害影响.图3是软地基强夯的振动实测曲线［8］.

图3 径向水平加速度a与距离r的关系Fig.3 Relationship between radial acceleration(a)and distance(r)

通过图3可以看出，在距夯点25 m处地面最大振动加速度(径向)相当于0.1g(g为重力加速度)，小于控制加速度容许值［a］=(0.1 ～0.15)g，换言之，根据地质条件不同，强夯振动影响区域也不尽相同，但是安全距离不能小于15～25 m，所以在处理桥台跳车、涵侧回填之类的地基时就不能应用，而快速液压夯实机既保证不损害建(构)筑物，又满足地基处理的密实度要求.由于夯锤对地面的作用是通过静压在地面上带缓冲垫的接地装置实施的，并通过设计出一种特殊的接地装置，进一步减少冲击夯实时对附近建(构)筑物的影响，使得夯锤作用力峰值更小，作用更柔和，不易剪切填层流线，贯穿能力强而均匀，所以可以在较大的深度范围内获得均匀的密实度而不破坏附近建筑物.具体如图4所示.

图4 快速液压夯实机对周边地基的影响Fig.4 High-speed hydraulic compactor impact on the peripheral foundation

由图4中数据计算可以得出，通过设计的专利底座，不仅增加了路基单位面积所受的冲击力，更重要的是减小了冲击力的扩散角，使得夯锤处于高挡位时冲击影响的有效半径仅为0.5 m，在中低挡位的冲击影响半径可减小到0.3 m，因此应用于路基构造物附近作业，可以有效地避免过大的冲击.

4 试验及应用技术效果分析

在长安大学动力学实验室大型土槽内进行分层试验，试验用土采用具有良好级配的砂土，按GB4478—84《振动压实机性能试验方法》试验规程要求，采用标准重型击实法测定土的含水量与干密度的关系，求出最大干密度为1.925 g·cm－3，最佳含水量为13%.选取4 m×4 m、深1.5 m的长方体坑槽，沿深度6等分，每层间隔1 m均布9个测点，采用强挡作业，测定不同实验条件下各层位的压实度，以便分析土体压实度随夯击次数及土体厚度的变化规律(见表1).

表1 不同含水量条件下各层位的压实度Tab.1 Degree of compation of the layers in the different moisture content conditions

试验结果表明，当铺层厚度1.5 m，夯击24次时，面层的压实度为95%，1 m深度内压实度达90%以上;当铺层厚度为0.5 m，夯击18次时，面层压实度为97%，满足实际压实施工要求.随夯击次数的增加，各层土壤压实度相应提高［9－10］，同时对每一工况而言，前4层土壤的压实度比较接近，说明夯实机有效深度可达1.0～1.5 m，进一步验证梅纳公式能应用在快速液压夯实机的压实度深度计算.

5 结语

(1)理论分析和试验及现场效果分析，快速液压夯实机作为一种新型的高效夯实机械，具有夯实能量高、影响深度远、机动灵活的特点，对于条件受限制的作业现场具有很好的通过性和适应性.

(2)在铁路路基、堤坝护坡加固及防渗漏处理，油库、机场、港口等大型基础设施地基夯实，环卫垃圾、有害物资填埋夯实，军用设施夯实加固等领域同样有着广阔的应用前景.

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